柔性光伏支架系统构造设计与工程应用

柔性光伏支架系统构造设计与工程应用

朱振豪,王大春

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江省杭州市 310012

摘要：近年来光伏发电项目数量逐年增长，其投资价值愈发凸显。目前，传统光伏支架多建设于荒漠、戈壁等占地面积大、平整度高的场地，在地形条件较差的区域建设难度大，因而建设发展受限于土地资源。柔性光伏支架的提出则极大地克服了复杂地形的制约，可适应山地、荒坡、水池、渔塘以及林地等复杂地形条件，占地面积小、场地适应性强的特点也能够使光伏支架作为光伏产业与农业、林业、渔业等产业联系的桥梁，是提高单位面积太阳能利用率、推动多产业融合的有效途径，极具经济价值。

关键词：柔性光伏支架； 结构设计；应用 

近年来，我国的光伏太阳能产业不断发展，分布式光伏发电能够因地制宜，充分发挥太阳能资源，具有较高的经济性和投资价值，分布式光伏太阳能发电项目在国内蓬勃发展。在优质土地资源日益紧张的情况下，传统光伏支架因占地面积大、场地平整度要求高、土地无法二次利用等原因，建设发展受到限制．而柔性光伏支架仅支撑结构占用土地面积，对场地面积要求较低，能广泛应用于各类复杂地形．该支架采用索进行承重，索承重结构拥有较好的力学性能，能够进行大跨度张拉。

一、柔性光伏支架结构特性

柔性光伏支架指的是由柔性承重索、钢立柱、钢斜柱或斜拉索、钢梁及基础组成的一种支架，具有结构简单、材料使用较少、质量轻、建设周期短等传统支架所缺乏的优点。柔性光伏支架的承重索采用钢绞线等柔性组件，此类柔性组件具有弹性模量大、松弛率低、强度高等优点，能够进行大跨度张拉，从而规避场地的起伏等不利因素．因而，柔性光伏支架能因地制宜，受地形地貌的限制条件少，与主要承受竖向荷载的普通刚性支架受力特点不同，柔性光伏支架采用的承重索需要进行预应力张拉，形成一定的刚度以铺设光伏组件．张拉的承重索索力会对支架产生较大的水平荷载．此外，承重索传给柱顶的水平拉力会使基础产生较大的剪力和拉拔力。

二、柔性光伏支架结构设计与应用

光伏发电项目，该项目地处低山地貌，场地四周环山，山势连绵起伏、地势陡峭，高程 250～650 m，相对高差 400 m，也就是说区内地貌为原始山坡，地势起伏较大，坡度可达 40°～45°，项目占地面积约 102.832 hm2 （1 542.48 亩）。因而为适应陡峭山地，摒弃了难以应用的传统支架安装方法，转而采用对复杂环境适应性强的柔性光伏支架，其基础、支架均处于山坡上，基础结构多为微孔灌孔桩，光伏组件固定于钢绞线拉索上。此外，考虑到项目占地面积较大，柔性光伏支架难以全面覆盖，不可避免存在少量间隙，为提高项目占地的利用率，部分空隙采用固定支架填补，同时为确保结构设计使用年限可达到25 a，支架钢构件选用镀锌防腐材料，光伏组件采用550 Wp 单晶硅单玻组件。柔性光伏支架受荷方式与传统刚性支架不同，柔性光伏支架除承受竖向荷载外，经预张拉程序后的柔性索还将额外产生较大的水平荷载，而钢支架作为传递柔性索受荷至地面的关键组成，为整个体系中的刚性组成部分，会使基础产生较大的剪力和拉拔力。柔性索为光伏发电板提供反力，为固定发电板的关键组件，柔性索与其余组件连接结构的稳定性直接关系到柔性光伏系统的安全，因此本文给出几种组件连接结构，如光伏组件-钢绞线连接结构、钢绞线-支架连接结构、组件保护结构等，以期为同类工程提供参考依据。

1、光伏组件-钢绞线连接结构。光伏发电板通过四个压块连接固定于两条柔性索上，两条柔性索除光伏板外增设连杆固定柔性索相对位置，防止柔性索因外力作用产生不平衡水平摆动，减少对光伏板水平外力的干扰。特别地，铝合金压块根据光伏发电板组件边框尺寸匹配生产，为连接光伏发电板与柔性索的关键组件，需防止风吸力作用下光伏板上浮与回落的损伤，因此铝合金压块通过两道螺栓及绳夹连接光伏组件与钢绞线，设置有防上浮倒钩，其连接截面如图。

2、钢绞线-支架连接结构。柔性索为柔性支架体系的核心，必须保证它与端部、中部支架连接牢靠。本工程采用结构固定端部支架处的钢绞线。该方法对锚具的锚固效果有较高的要求，需确保预张拉程序完成后钢绞线能够始终保持锚固状态。特别地，锚具外预留有 1.5～2.0 m 钢绞线，以便开展预张拉程序。与此同时，端部支架为柔性支架体系中受水平荷载最大的部分，会使基础产生较大的剪力和拉拔力。因此为提高柔性支架体系的安全稳定性，通常在端部支架外侧设置斜拉杆，通过单锚杆或双锚杆固定于稳定土层中。钢绞线 -中部支架连接则更为简单，仅需通过绳夹将钢绞线固定于中部支架上，支架主要承受来自钢绞线的竖向荷载。

3、组件保护结构。大跨度柔性光伏支架不可避免受到强风干扰而产生较大幅度的摆动，严重时甚至导致光伏发电板损坏，因此为柔性光伏体系增加外力干扰削弱措施，对保护光伏发电板组件，延长其使用年限具有重要意义。本工程通过间断设置连杆，减少侧向外力对光伏发电板的损伤，以及两条钢绞线不平衡振动对固定光伏发电板的冲击；同时在连杆上增设拉环，下连防风缆绳，并将防风缆绳的另一端固定于端部或中部立柱的底部，由此防止光伏发电板在风吸力作用下发生剧烈的上浮回落，这也是降低光伏发电板振动幅度、减弱外力冲击的有效措施，为更有效地发挥柔性光伏支架的柔性特点，避免如连杆、防风缆绳固定的过度约束，增强柔性光伏体系抵抗强风的能力，进一步优化了防风缆绳结构，在防风缆绳的另一端增设缓冲弹性构件，赋予一定的抗风阻尼，使它在遭遇强风时缓慢变形，削弱强风冲击力。

4、柔性支架结构体系。柔性光伏支架结构体系：柔性系统和支架系统。柔性系统由预应力悬索、稳定索、组件固定夹具、光伏组件等构成 ；支架系统由基础（包括独立基础、桩基础）、钢立柱、钢梁、支撑体系包括斜拉索、斜支撑）等构成。根据太阳能光伏支架受力特点，通常在两侧设置斜拉杆（索）和斜支撑。当光伏组件受到风荷载或者雪荷载作用时，拉索受力变形，钢立柱抵抗竖直方向的力，斜拉索或者斜支撑抵抗水平方向的力 。分别为设置斜拉索和斜支撑的柔性光伏支架结构。对于光伏电站，由于跨度比较大，通常在钢立柱和中间支柱之间再设置钢桁架，减小跨度，从而减小挠度。对于山坡复杂地形，通常顺应山体坡度设置斜拉索（钢绞线），然后铺设光伏组件，不仅利用了天然地势条件，而且也达到美观的效果。

总之，光伏柔性支架能够适应恶劣环境和复杂的地形条件，具有广阔的应用前景。但是柔性支架抗风方面存在诸多问题，是科研工作者需要重点关注的，也是设计人员所关心的。未来随着更多科研力量的加入，太阳能光伏柔性支架也必将推动光伏产业向着安全、经济、耐久的方向发展。

参考文献

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